大跨度钢筋混凝土空腹夹层板柱

大跨度钢筋混凝土空腹夹层板柱结构研究与应用*马克俭黄勇肖建春张华刚(贵州工业大学空间结构研究所，贵阳：５５０００３)摘要介绍一种新型的大跨度钢筋混凝土空间板系结构—钢筋混凝土空腹夹层板柱结构，它具有板系结构的力学优点，板系结构可跨越更大的跨度。它集承重、围护、装修、管道支架吊顶为一体，经济适用、造型美观、施工方便，是一种值得在大跨度钢筋混凝土屋盖和楼盖结构中推广使用的优良结构形式。关键词大跨度；钢筋混凝土；空腹夹层板柱结构；技术经济指标中国图书资料分类号TU395；TU378概述《多层与高层建筑楼盖结构体系－钢筋混凝土空腹夹层板系列研究、开发与应用》作为贵州省重点攻关课题，经过1993年～1997年的研究与工程实践，已在省内外建造了近3.4万平方米的大柱网（7.2m以上）多层建筑，显示了这种空间板系结构优良的力学特性和建筑功能的灵活划分和可变性。同时建筑造价经济，深受使用单位欢迎［１］。由于它良好的社会效益及经济效益，于1997年8月荣获全国发明展览会金牌及证书，同年12月荣获贵州省科技进步壹等奖，并获1998年国家专利。近几年来我们集中研究的是多层与高层建筑的大柱网（7.2m、7.8m、8.2m～12m）的楼盖和屋盖。对于大跨度钢筋砼楼盖和屋盖，如何用钢筋砼空腹夹层板取代过去工业车间常用的平面结构体系－钢筋砼屋架；取代公共建筑用的大跨度钢筋砼井字楼盖和密肋楼盖?在这方面仍然是一个新课题。也就是说：在结构体系“量”方面要有一个跨越，如何从钢筋砼大柱网跨越一大步进入钢筋砼大跨度(（18m、21m、24m、…36m）。近几年我们对钢筋砼空腹夹层板的深入研究，掌握了这种新型空间板系结构体系的内在规律与特点，并与国内外过去已采用的大跨度板系钢筋砼井字楼盖的分析对比，找出其力学特点的相同点与不同点。并对空腹夹层板的关键部位进行了1∶1的节点试验，通过对比，分析和试验，从而使这种跨越成为现实的理论与实践基础。钢筋砼实心平板由于其三维受力特性，具有优良的内力重分布的优点，由于有它自身重量大，经济的跨度在3～4m范围，当柱网增大时（如7.2m以上）设置中间梁是惯用的结构布置方案。广州国际大厦柱网为9.2m，采用无粘结预应力大板，实心板厚由35cm降为25cm，从而降低了结构高度，减轻了自重，增加了高层建筑的层数，取得了成功的经验。当跨度增大一倍，即18.4m时，再采用无粘结预应力大板，根据刚度要求，板的最小厚度也需60cm，仅自重一项就是1500kg/m２，用钢量迅速增大是显而易见的。自然，板系结构的优越性也就消失。既发挥板系结构的优越性，又要克服自重过大所带来的弊病，从而发展了正交正放与正交斜放的大跨度钢筋砼井字楼盖体系，如浙江大学职工食堂（正交斜放）；香港科技大学大量采用以塑料模壳的现浇正交正放井字楼盖，跨度均达到18m以上，结构高度（1/30～1/35）Ｌ（短跨），仍是板的刚度要求。由于将实心平板按井字楼盖挖空，其自重下降50％以上，而板体系的力学特性仍然存在，同时还具备富有规律的装饰效果，因此在国内外的公共建筑的大跨度楼盖与屋盖结构中广为采用。与钢筋砼井字楼盖类似的预应力混凝土框架扁梁井字楼盖是一种适用于多、高层建筑大柱网的板柱结构，在国内外已大面积应用［２］。这种结构体系仍属板柱结构体系。在柱相交处的柱上板带，以宽扁梁取代一般井字楼盖的交叉梁，因为该区剪力与弯矩均较大，提高柱上板带的抗弯与抗剪刚度是合理的，由于施加预应力，结构高度可进一步减少，即l/h可达35cm以上。另一种板柱结构体系，它是由南斯拉夫“预应力板柱建筑体系”（IMS）开拓、发展而形成的，即“整体预应力装配式板柱结构”。它是以施加预应力将多块预制带肋板通过柱或垫块连为整体，是一种装配整体式靠摩擦力传递内力的板柱结构体系。目前它使用的跨度最大为15m（中国专利局食堂），为五拼板结构。这两种结构仍属板系结构体系，是在井字楼盖的基础上改进和发展，施加预应力是这两种体系的关键所在。钢筋砼井字楼盖的实质是等高交叉梁组成网格型的板状，而梁的腹部主要作用是传递剪应力使之整体受力。若将梁的腹部挖空，只保留交叉点处的钢筋砼，用它来传递剪力，使上、下肋梁共同工作，这样就可以在井字楼盖的基础上进一步减小结构自重1/3以上。由于自重大幅度下降，其配筋量自然也下降。交叉点处留下的钢筋砼(墩)，它的高宽比(h/b）=0.8～1.5范围，实际已形成块体单元，我们称之为“剪力键”或“剪力墩”。这就是空腹夹层板结构力学特性的关键所在，也是此种结构能跨越更大跨度的主要因素。1工程简介贵州工业大学邵逸夫学术中心，平面布置见图1，它主要由①（18m×18m）学术报告厅；②大礼堂（30m×46.2m）；③篮球馆（24m×30m）三大功能块组成。图１原设计①为钢筋砼井字楼盖；②、③为钢平板型钢网架结构；①18m×18m井字楼盖网格为正交正放，其（1.8m×1.8m）剖面如（图2a）所示，结构支承在周边250厚砖墙上，为周边简支承，其折算厚度24cm，结构自重（不含粉刷及吊顶等）为600kg/m２，自重过大，对砖墙不利。改为周边简支空腹夹层板后（图2.b）折算厚度为16.5cm，结构自重为412.5kg/m２自重下降31.3％，钢筋砼用量减少24.3m３，由于自重减轻1/3而夹层板抗弯惯矩销有所降低，而竖向挠度与荷载q成正比，与惯矩I成反比q减少得多，I减少极小，当网格较密时I亦增加，因此，空腹夹层板用料少，反而抗弯刚度ＥＩ有所增加。这是我们不采用井字楼盖而采用夹层板的原因之一。篮球馆的屋盖（24m×30m）原为钢网架结构，单价608元/m２（总价43.78万元）突破投资而改用钢筋砼大跨度的板系结构，将井字楼盖与空腹夹层板屋盖进行比较后，我们采用了目前国内外最大跨度的钢筋砼空腹夹层板柱结构。图3.a为两方案网格布置平面图，图3.b为井字楼盖部分剖面图，图3.c为夹层板的部分剖面。网格均为2m×2m，结构高度为900mm（即l/26.6），井字楼盖砼折算厚度35.4cm/m２，空腹夹层板砼折算厚度19.8cm/m２。两者差为15.6cm，结构自重由885kg/m２下降为495kg/m２，两者差值390kg/m２。实际定额按1100元/m３计（含脚手架及模板费用），井字楼盖总价（不含装修）28.04万元（389.4元/m２），夹层板总价15.68万元（218元/m２），两者差12.36万元。此处未涉及井字楼盖，由于自重增加44％，带来的钢筋用量增加的费用4万余元（每吨钢筋3000元/t）。通过对这种钢筋砼板柱式结构的对比分析，我们决定在18m×18m、及24m×30m的两部份屋盖采用新型空间板系结构（大跨度钢筋砼空腹夹层板柱结构）。图2图32构造与力学特点钢筋砼井字楼盖与钢筋砼空腹夹层板楼盖同属板系结构体系，其构造与力学性能有相同之点，也有相异之处。2.1构造、力学相同点2.1.1构造方面网格布置原则相同，既可正交正放布置也可正交斜放布置，若为圆形或三角形平面时，亦可采用三向网格。在板柱结构中，在柱上板带处都可按框架扁梁的构造方式处理，亦可采用预应力技术。2.1.2力学性能方面同属板系结构体系的三维空间受力，都是正交各向异性。内力分布规律基本相同，支承反力的分布规律亦相同，如周边简支承时，每一边中间反力大，愈靠两边反力愈小。正交正放时角部为零，正交斜放时角部均出现拉力。2.2构造与力学性能不同点2.2.1构造方面钢筋砼井字楼盖由实腹梁交叉组成，如图3.b所示，钢筋砼空腹夹层板由上、下交叉肋梁组成，如图3.c所示。其腹部交叉点处有一长、宽、高尺寸相近的块体单元，将上、下肋相连，形成“键”或“墩”。从而使它的腹部前后左右均贯通，即形成空腹夹层板。同时，“剪力键”的几何尺寸除高度不变外，长、宽可随剪力大、小改变尺寸，当跨度过大时（如l≥24m时）周边中央部分的支座节点间将变成实腹，以传递过大的剪力；如为板、柱结构时，与柱相交的支座处，弯矩、剪力、冲切力均过大，此处节点间也可能形成实腹。当作屋面时，剪力键可按线性规律进行结构找坡，即“剪力墩”在纵、横剖面处高度也随坡度而变化。2.2.2力学性能方面井字楼盖的交叉实腹梁，如具有多个弹性支承的钢筋砼连续梁的力学性态，其剪力由实腹部分传递，按钢筋砼斜截面设计原则配置钢筋；空腹夹层板的剪力由交叉点处的“剪力键”传递，使上、下肋梁共同工作，它的受力性态及配筋设计如同钢筋砼牛腿。在相同结构跨度、结构高度和相同的支承条件，网格分布规律也一致。当活载条件相同时，井字楼盖的竖向挠度远大于空腹夹层板的竖向挠度，其主要原因在于井字楼盖结构自重大，而空腹夹层板结构自重小于前者1/3以上，即相对刚度空腹夹层板大于井字楼盖，所以当为大跨度时，空腹夹层板的结构高度可比井字楼盖结构高度偏小取值。3技术经济指标钢筋砼井字楼盖与屋盖结构体系，是国内外公共建筑中采用最多的钢筋砼板系结构体系。与井字楼盖异曲同工的钢筋砼空腹夹层板，是一种新型空间结构，她诞生的时间不长，无现成定额可循；而井字楼盖是一种成熟了的结构形式，有关定额早已制定，但两者相同之处多，又是同一种材料制成，故以井字楼盖与空腹夹层板楼盖进行对比分析，来说明其技术经济指标。今将已建成的贵州工业大学邵逸夫学术中心的篮球馆屋盖（24m×30m）进行对比分析，如表1所示。表１２４m×３０m钢筋砼井字楼盖与空腹夹层板柱结构技术经济指标对比内容结构名称结构高度cm砼折算厚度cm/m2结构自重kg/m２钢筋用量施工方法单价元/m３砼总量m３造价元/m２总造价万元井字楼盖9035.488572.5现场浇注1100255389.428.04空腹夹层板9019.849541.2现场浇注及装配整体式1100142.621815.68由表１可知，大跨度钢筋砼空腹夹层板柱结构技术经济指标比钢筋砼井字楼盖板柱结构的技术经济指标优越。在建筑功能上空腹板可自由穿越其腹部，井字楼盖则必须吊顶或直接吊在下面，导致影响建筑造型，此外，灯具布置时空腹夹层板处理方法自由度也大很多。1998年六月，由国内专家鉴定为“国内外首创达到国际先进水平”。*贵州省科学基金资助。1998-06-02收稿。参考文献１马克俭黄勇等.多层与高层建筑钢筋砼空腹夹层板与鱼骨式空腹夹层板楼盖结构体系研究与应用.贵州工业大学学报1997，（4）２马克俭黄勇等.钢筋砼网架与空腹夹层板研究与应用综述.空间结构1995，（3）